Оптимизация параметров технологических процессов лесопромышленного комплекса Дальнего Востока на принципах устойчивого лесопользования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тихоокеанский государственный университет

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Оптимизация параметров технологических процессов лесопромышленного комплекса Дальнего Востока на принципах устойчивого лесопользования

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Рябухин Павел Борисович

Хабаровск - 2008

Работа выполнена на кафедре технологии и оборудования лесопромышленного производства Тихоокеанского государственного университета (г. Хабаровск)

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Патякин Василий Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Герц Эдуард Федорович,

доктор технических наук, профессор Долотов Алексей Митрофанович,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Гуков Геннадий Викторович

Ведущая организация: ФГУ «Дальневосточный научно-исследовательский институт лесного хозяйства».

Защита состоится 21 ноября 2008 года в диссертационном совете ДМ 212.018.03 Братского государственного университета по адресу: Братск, ул. Макаренко, 40, ауд.112

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Тихоокеанского государственного университета (680035, г.Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136) или в библиотеке Братского государственного университета.

Автореферат разослан 12.09.2008 года

Ученый секретарь диссертационного совета Чжан С.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Концепция развития лесопромышленного комплекса России до 2015 года предусматривает рациональное и неистощительное использование лесного сырьевого потенциала и ресурсов за счет увеличения объемов глубокой переработки древесины и создания современных экономических регуляторов развития лесозаготовительной промышленности. Решение поставленной задачи может быть достигнуто только в случае реализации приоритетных направлений, связанных с повышением эффективности использования сырья за счет ввода в действие ресурсосберегающих технологий; внедрения современных машин и оборудования, обеспечивающих высокую эффективность технологического процесса на всех фазах лесозаготовительного производства с учетом сохранения лесной среды и рационального использования лесосырьевых ресурсов; опережающего развития мощностей по глубокой переработке древесины. Необходимость постановки проблемы связана также с неуклонным сокращением высокотоварных насаждений практически во всех регионах Дальнего Востока.

Многообразие породного состава лесов, горный рельеф местности, подверженность интенсивному антропогенному воздействию и другие специфические особенности лесного фонда требуют комплексного научно-обоснованного подхода к организации и проведению лесоэксплуатации с учетом эколого-лесоводственных, экономических и социальных аспектов региона. Леса Дальневосточного федерального округа (ДФО) отличаются высокой степенью биоразнообразия, поэтому сохранение или минимизация нарушений лесных экосистем здесь является основной приоритетной задачей при осуществлении лесозаготовительного производства.

Современное развитие лесопромышленного комплекса Дальнего Востока характеризуется широким и интенсивным внедрением лесозаготовительных машин отечественного и зарубежного производства. Однако вопросы их приобретения и эксплуатации в специфических условиях дальневосточных лесов зачастую решаются лесопромышленниками без научно обоснованной базы и учета лесорастительных условий региона. Необходима разработка четких критериев как по отбору систем лесозаготовительных машин и технологий лесосечных работ, так и по обеспечению их функционирования в конкретных природно-производственных условиях, что позволит получить максимальную эффективность по реализации всего комплекса экономических, эколого-лесоводственных и социальных принципов устойчивого лесопользования.

Поэтому можно констатировать актуальность, научную и прикладную значимость рассматриваемых в работе проблем, что предопределило необходимость проведения комплексных исследований для их решения.

Цель и задачи исследований. Основной целью исследований является повышение эффективности лесопромышленного комплекса Дальнего Востока на основе оптимизации технологических, лесоводственных и экономических параметров функционирования предприятий лесной отрасли на принципах устойчивого лесопользования. Основные задачи, способствующие реализации поставленной цели, предусматривали:

1. Определение лесоводственных и эксплуатационных особенностей лесного фонда в основных эксплуатируемых лесных формациях Дальнего Востока и создание базы данных по основным лесоэксплуатационным характеристикам лесосек региона.

2. Комплексную оценку технологических процессов лесопромышленного производства и систем лесосечных машин при хлыстовом и сортиментном способах заготовки древесины.

3. Исследование влияния различных технологий лесосечных работ и систем лесозаготовительных машин на лесную среду и выявление лесоводственно-экологических последствий лесозаготовок.

4. Установление уровня потерь древесного сырья на различных фазах лесопромышленного производства и определение путей, обеспечивающих рациональное использование всего объема древесины, отводимого в рубку.

5. Обоснование основных показателей качества функционирования систем машин и технологических процессов, формализация объектов исследования с учетом лесорастительных условий Дальнего Востока.

6. Разработку математической модели для определения глобального диапазона экстремальных значений показателей качества функционирования систем машин и технологических процессов

7. Выбор оптимальных способов рубок и определение возможных объемов применения существующих систем лесосечных машин и их ранжирование по лесорастительным зонам на лесотипологической основе.

8. Разработку основных направлений и рекомендаций по развитию и организации лесозаготовительного производства на ближайшую перспективу с учетом повышения уровня машинизации лесосечных работ и возросших экологических требований к лесозаготовкам.

Объектом исследования являются технологические процессы лесозаготовок, системы машин для их реализации и лесной фонд субъектов Дальневосточного федерального округа. Предметом исследования являются технологические, эколого-лесоводственные, экономические и социальные параметры производственных процессов предприятий лесопромышленного комплекса.

Методы исследования. Исследования выполнялись на основе комплексных лесоводственных и таксационных методов, применяемых при изучении насаждений и оценке воздействия лесоэксплуатации на компоненты леса и лесную среду. В качестве основных методов теоретических исследований в диссертационной работе приняты математическое моделирование сложных систем с применением современных математических алгоритмов для численных и аналитических расчетов MathCAD 11, Enterprise Edition и Maple 8, а также языка универсального моделирования UML 1.4; реляционная алгебра; пассивный производственный эксперимент. Обработка результатов производилась с использованием аппарата математической статистики программы MathCAD, а накопление информации - с помощью компьютерной программы, написанной в системе управления базами данных Microsoft Access 2000.

Научная новизна работы. Впервые дана комплексная оценка лесным ресурсам Дальнего Востока, с учетом возможной их эксплуатации различными системами лесосечных машин. Обоснованы и формализованы эколого-лесоводственные показатели функционирования различных систем лесозаготовительных машин (ЛЗМ) в основных лесных формациях ДФО. Разработана математическая модель и алгоритм идентификации полимодального закона распределения основных характеристик лесосечного фонда дальневосточного региона. Получены программные продукты для реализации разработанных математических моделей функционирования технологических процессов лесопромышленных предприятий, позволяющие осуществить выбор оптимальных вариантов технологических процессов лесопромышленных предприятий и систем ЛЗМ и оборудования для различных природно-производственных условий региона на основе комплексной оценки (эколого-лесоводственной, технологической, экономической и социальной).

Основные научные положения и результаты исследования, выносимые на защиту.

1. Влияние закономерностей формирования лесного фонда на состояние и структуру лесопромышленного комплекса Дальнего Востока.

2. Критерии и методики оценки технологических и лесоводственных показателей применения различных систем лесозаготовительных машин.

3. Методика и алгоритм идентификации закона распределения лесорастительных параметров лесного фонда ДФО.

4. Методика определения средних значений угла поворота и вылета стрелы манипулятора валочно-пакетирующих машин при проведении различных способов рубок.

5. Аналитические зависимости по определению затрат времени на выполнение управляющих команд оператором лесозаготовительных машин в зависимости от продолжительности его технологической работы.

6. Математические модели функционирования систем ЛЗМ и технологических процессов лесопромышленных предприятий с учетом лесорастительных условий дальневосточного региона.

7. Рекомендации по объемам применения существующих систем лесозаготовительных машин и выбору типа технологического процесса для конкретных природно-производственных условий функционирования лесопромышленных предприятий.

Практическая значимость работы. Исследования, положенные в основу настоящей работы, проводились в соответствии с планом научно-исследовательских работ Министерства лесной промышленности Хабаровского края, ГОУ ВПО “Тихоокеанский государственный университет”, ФГУ “Дальневосточный научно-исследовательский институт лесного хозяйства” в период с 2001 по 2007 г.

Результаты проведенных исследований позволяют предприятиям лесного комплекса ДФО:

· прогнозировать тенденции развития лесозаготовок и деревопереработки на основе анализа лесного фонда по объемам и размерно-качественным характеристикам древостоев;

· осуществлять выбор оптимального технологического процесса функционирования предприятия и систем лесозаготовительных машин для конкретных природно-производственных условий по экономическим, лесоводственным и социальным критериям;

· существенно снизить вероятность повреждения тонкомерных деревьев и увеличить сохранность подроста при проведении лесозаготовок валочно-пакетирующими машинами по различным технологическим схемам;

· повысить степень экономической и лесохозяйственной эффективности использования современных систем ЛЗМ и оборудования за счет предложенных научно-обоснованных разработок;

· прогнозировать возможные объемы низкотоварной древесины и древесных остатков, образующихся на лесосеках при машинном способе лесозаготовок, с целью создания перерабатывающих производств и повышения эффективности использования древесины;

Реализация научных разработок. Результаты проведенных исследований послужили основой для разработки и внедрения в учебный и производственный процессы следующих нормативных и методических документов:

1. Временные рекомендации по проведению рубок главного и промежуточного пользования в ЛПЦ ОАО «Горинский КЛПХ». Хабаровск, 2006, 22 с.

2. Рекомендации заседания Научно-технического совета при Министерстве лесной промышленности Правительства Хабаровского края по обеспечению содействия развитию предприятий лесопромышленного комплекса Хабаровского края от 30.07. 2004 г.

3. Рекомендации первого Дальневосточного международного экономического форума от участников заседания рабочей группы “ Лесная отрасль Востока России. Проблемы, задачи, перспективы “. Хабаровск, 6.10. 2006 г.

4. “ Концепция стратегического развития Хабаровского края до 2010 года. Лесопромышленный комплекс “.

5. Постановление Правительства Хабаровского края от 06.06. 2005 г. № 67 “ О мерах по повышению роли лесной отрасли в решении задач стратегического развития Хабаровского края на период до 2010 года.

6. Рекомендации второго Дальневосточного международного экономического форума от участников заседания рабочей группы “ Лесной комплекс Востока России. Проблемы и пути их решения“. Хабаровск, 19.09. 2007 г.

Результаты работы внедрены в учебный процесс путем издания учебных пособий и методических рекомендаций по дисциплинам «Технология и оборудование лесосечных работ» , «Технология и оборудование лесозаготовок», «Оценка воздействия на окружающую среду», а также при выполнении курсового и дипломного проектирования студентами специальностей «Лесоинженерное дело», «Лесное хозяйство», «Охрана окружающей среды».

Апробация. Основные положения и результаты исследований были доложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях (НТК) профессорско-преподавательского состава и аспирантов Тихоокеанского государственного университета (ХГТУ, ТОГУ) в 1998-2006 г.г.; на пятом российско-китайском симпозиуме “Проблемы научно-технического прогресса в Дальневосточном регионе “ в 1998 г. (г. Хабаровск); на международной НТК в г. Хабаровске в 2001 г.; на первом дальневосточном международном Форуме (6-9 сентября 2006 г., г. Хабаровск); на заседании секции УМО по специальности 26.01 Лесоинженерное дело в 2003 г. (г. Санкт-Петербург, С-П ГЛТА), на втором дальневосточном международном Форуме (18-19 сентября 2007 г., г. Хабаровск), на третьем Форуме регионального сотрудничества между Китаем и Россией (КНР. г. Цзямусы, 25-28 июля 2007г.).

Публикации. Основное содержание работы и результаты выполненных исследований опубликованы в двух монографиях, в двух учебных пособиях, в 49 научных статьях, 9 из которых изданы в журналах, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и заключения, списка использованных источников литературы и четырех приложений. Содержание работы изложено на 383 страницах машинописного текста, иллюстрировано 59 рисунками и 58 таблицами. Список литературы включает 344 наименований (в том числе 44 иностранных).

Основное содержание работы

Во введении дано обоснование и необходимость постановки темы диссертационной работы, которые связанны с тем, что в результате масштабных изменений в лесном фонде ДФО возникла острая необходимость изыскания путей решения задач по максимально возможному ослаблению сложившихся противоречий между лесопользованием и состоянием лесной среды; сформулированы цель работы, ее задачи и научная новизна; определены положения, выносимые на защиту и научно-практическая значимость проведенных исследований.

В первом разделе выполнен анализ работ, посвященных изучению технологических процессов лесозаготовок на территории Дальнего Востока, методам оценки эффективности систем лесозаготовительных машин (ЛЗМ); определены задачи и программа исследований.

Значительный вклад в решение научных и практических задач регионального лесопользования в лесах Дальнего Востока внесли Ю.И. Манько, В.Т. Чумин, Б.С. Петропавловский, А.С. Шейнгауз, Г.В. Гуков, Д.Ф. Ефремов, А.П. Ковалёв и др. Ими были сформулированы и аргументированы основные лесоводственные и организационно-технические принципы и подходы к выбору и назначению систем и способов рубок главного пользования в основных лесных формациях региона.

С появлением на лесосеках принципиально новых многооперационных лесозаготовительных машин, полностью заменивших ручной труд в лесу, обеспечивающих более высокий уровень производительности труда на лесозаготовках, возникла необходимость поиска новых рациональных технологий лесосечных работ при различных способах рубок главного пользования. В условиях Дальнего Востока вопросами разработки, совершенствования и лесоводственной оценки использования агрегатных машин на заготовке древесины занимались преимущественно работники Дальневосточного НИИ лесного хозяйства. Большой набор пород- лесообразователей, их экологическая разнокачественность; различия в условиях местообитаний предопределяют необходимость дифференцированного подхода к назначению не только способов рубок, но и технологии лесосечных работ, в зависимости от лесорастительных условий конкретных участков леса.

Техническое перевооружение лесной промышленности Дальнего Востока, повышение экологических и лесоводственных требований к лесосечным работам привели к необходимости проведения дополнительных исследований по совершенствованию приемов и технологий лесопользования и лесовоспроизводства. Решение этих вопросов в значительной мере определяется созданием адекватных математических моделей и их реализация в виде программных продуктов, обеспечивающих минимизацию негативных последствий лесозаготовительной деятельности на лес и лесную среду.

Составление комплексных моделей функционирования лесосечных машин и оборудования, технологических процессов лесозаготовок изложено во многих научных работах. Вопросы построения комплексных моделей функционирования лесозаготовительной техники с использованием многокритериального поиска оптимальных решений рассмотрены в научных трудах А.К. Редькина, В.М. Захарикова, Н.В. Казакова, В.С.Сюнева, Э.Ф. Герца, С.Б. Якимовича и др.

По результатам проведенного анализа состояния вопроса сформулированы цель и основные задачи исследования, для реализации которых составлена программа диссертационной работы, предусматривающая изучение состояния лесного фонда дальневосточного региона, оценку технологических процессов лесозаготовок и систем лесосечных машин в различных лесорастительных условиях с учетом необходимости достижения минимизации негативных последствий лесоэксплуатации на лес и лесную среду; моделирование показателей качества их функционирования для разработки рекомендаций по развитию и организации лесозаготовительного производства.

Структурная схема проведения исследований представлена на рисунке 1. Постановка задач исследований осуществлялась путем анализа литературных источников, практических аспектов лесопользования и собственных идей автора. Изучение состояния и динамики лесосечного фонда проводилось по лесоустроительным материалам с использованием данных ежегодного учета лесного фонда по лесхозам; учитывались итоги работ сотрудников Института экономических исследований ДВО РАН, Дальневосточного НИИ лесного хозяйства и собственные исследования автора. Исследования, проводимые с целью оценки техногенного воздействия лесосечных работ на компоненты леса, осуществлялись на участках опытно-экспериментальных рубок, которые подбирались с учетом целей эксперимента в типичных лесных формациях региона. Последствия лесозаготовок и изменений лесной среды оценивались по следующим показателям:

1 Сохранность и повреждаемость деревьев, не подлежащих рубке.

2 Полнота использования лесосечного фонда и захламленность вырубок.

3 Сохранность и повреждаемость подроста.

4 Повреждаемость почвы.

5 Выбросы газов в атмосферу.

Рисунок 1. - Схема решения задачи исследования

В процессе исследований заложено 45 пробных площадей, из которых 34 - постоянного наблюдения. В опытно-промышленных условиях, при разных способах рубок, разработана 31 лесосека по 14 технологическим вариантам лесосечных работ. Обследовано 25 производственных лесосек, разработанных сплошнолесосечными и выборочными рубками. Технологические и лесоводственно-экологические оценки различных систем лесосечных машин осуществлялись преимущественно в елово-пихтовых и лиственничных насаждениях сырьевых баз крупных лесозаготовительных компаний ДФО.

Второй раздел посвящен исследованию состояния и динамики лесоресурсной базы субъектов Дальневосточного федерального округа с целью создания базы данных по лесорастительным условиям и лесоэксплуатационным характеристикам лесосек региона и теоретическим разработкам в области формализации эксплуатационных параметров лесосек.

На территории ДФО находится 496,1 млн га земель лесного фонда. Более половины из них (254,8 млн га) - располагаются в Республике Саха (Якутия). Очень велики площади лесного фонда на побережье Охотского моря (Хабаровский край), в Магаданской области и Камчатском крае, в Чукотском автономном округе. На долю южных районов ДФО (Приморский край, Приамурье Хабаровского края, Амурская область, Сахалинская область, Еврейская автономная область) остается примерно 17 % лесного фонда округа (84 млн га). Тем не менее, именно в южных районах ДФО были сконцентрированы основные объемы лесозаготовок как в предыдущие годы, так и в настоящее время. Общий запас древесины по ДФО составляет 20.2 млрд м³.

В распределении покрытых лесной растительностью земель ДФО по преобладающим породам имеются различия между северными и южными районами. В северных районах большую долю лесопокрытых земель (до 60-70 %) составляют кустарниковые заросли, прежде всего, кедровый стланик, в южных - преобладают древостои. Наиболее разнообразная растительность наблюдается в кедрово-широколиственных лесах, произрастающих в основном Приморском крае, в Еврейской АО, на юге Хабаровского края и частично в Амурской области. В большинстве районов ДФО преобладают хвойные древостои. Леса, возможные для эксплуатации, располагаются преимущественно в средней и южной части Хабаровского края - в Приамурье.

Приморский край по объемам лесозаготовок занимает устойчивую вторую позицию по ДФО после Хабаровского края. В связи с этим, лесные ресурсы Приморского края представляют и в будущем достаточно большой интерес для лесопромышленного комплекса федерального округа. Породная структура лесов Приморья более разнообразна, чем в Хабаровском крае. Если в Хабаровском крае 85 % лесов представлены ельниками и лиственничниками, то в Приморском - преобладание ельников и дубняков сочетается с несколько меньшим, но существенным, участием лиственничников, белоберезников и широколиственных древостоев в относительно равных долях.

Третьим субъектом ДФО по объемам лесозаготовок традиционно остается Амурская область. Площадь лесов, возможных для эксплуатации, составляет 18,1 млн га. В то же время, использование расчетной лесосеки в доступных для эксплуатации лесах составляет 13 %. В возможных для эксплуатации лесах Амурской области наибольшая доля спелых и перестойных древостоев у ельников, лиственничников и осинников. Эксплуатационный фонд области состоит в основном из лиственничников. Спелые древостои Амурской области в основном низкополнотные.

Таким образом, в Приморском, Хабаровском краях, и в Амурской области устойчиво заготавливается в пределах 80 % древесины ДФО по главному пользованию.

Вклад большей части остальных регионов округа в объеме лесозаготовок остается скромным. На их фоне выделяются Республика Саха (Якутия) и Сахалинская область (примерно по 5 % лесозаготовок ДФО). Тем не менее, лесной древесный потенциал Республики Саха (Якутия) по возможным для эксплуатации лесам очень велик и находится на уровне суммарного потенциала трех, рассмотренных выше, южных регионов ДФО. Его основу составляют лиственничники (85,6 %). Сравнительно высокая доля (11,7 %) приходится на сосняки и 2,5 % - на белоберезники.

Сахалинская область имеет одну из наиболее интенсивных экономик ДФО, но не располагает адекватным древесным ресурсным потенциалом. Тем не менее, ее разрешенные к рубке древесные ресурсы используются лишь на 27 %. Поэтому в перспективе и они представляют определенный интерес для хозяйственного комплекса. Тем более, что включают в себя такие ценные и высокопроизводительные по дальневосточным стандартам породы, как ель, пихта, лиственница. Спелые и перестойные хвойные леса располагаются преимущественно в горной местности, условия лесозаготовок по рельефу местности в Сахалинской области принципиально не отличаются от условий в рассмотренных выше субъектов ДФО.

Камчатский край является последним из рассматриваемых здесь регионов, где лесозаготовки развиты достаточно и на достаточно высоком уровне. Возможные для эксплуатации леса Камчатки представлены каменноберезниками (53,8 %), лиственничниками (18,3 %) и белоберезниками (15,6 %). Почти по всем породам преобладают спелые и перестойные древостои (в среднем 78,3 %). Низкополнотность лесных формаций Камчатского края лишь дополняет характеристику лесов, присущую всей территории ДФО.

В Магаданской области, в Чукотском автономном округе лесозаготовки почти не развиты, особенно в последние годы, поэтому их нецелесообразно включать в данный обзор.

В целом по Дальневосточному федеральному округу динамика лесных ресурсов сохраняет устойчивость на протяжении длительного времени. За 40 лет (с 1966 по 2006 гг.) площадь лесов уменьшилась на 10,9 млн га или на 2,1 %.

В результате проведения анализа лесосырьевых ресурсов региона установлены основные лесоэксплуатационные параметры древостоев, позволяющие выполнить комплексную оценку лесорастительных условий и сформировать базу данных характеристик лесосек региона для проведения их формализации при составлении основной математической модели эффективности технологических процессов:

1 запас древесины, (м³/га) участке (Y1);

2 несущая способность грунтов (Y2);

3 средний объем ствола (Y3);

4 средний уклон местности (Y4);

5 обеспеченность лесосеки подростом (Y5);

6 класс товарности насаждения (Y6);

7 доля лиственницы (Y7);

8 доля темнохвойных (Y8), (К, Е, П);

9 доля мягколиственных (Y9);

10 доля твердолиственных (Y10).

Проблему идентификации закона распределения лесоэксплуатационных условий можно свести к задачам теории распознавания образов, имеющей в своем арсенале множество отлаженных алгоритмов таксономии. Важнейшей особенностью, которую необходимо учитывать при идентификации лесосек является то, что наблюдения {Yij} носят вероятностный характер, поэтому был разработан алгоритм таксономии лесосек.

Формализованная постановка задачи таксономии сведена к поиску наименьшей площади проекции (S) на плоскость сечения множества описаний лесосек (в факторном представлении):

(1)

где; S - площадь гиперпроекции искомого множества точек;

- элемент матрицы направляющих косинусов вращения;

Yim - значения i-го признака в m-й реализации;

n - число признаков (характеристик лесосек);

r - число реализаций (число лесосек в анализе).

После получения проекций, отвечающих заданному критерию (S), распознавание осуществляется по визуальным признакам, где определяются границы таксонов. Таким образом, определяются множества точек, принадлежащих различным таксонам.

Множество точек каждого из выделенных таксонов образуют случайную выборку гиперточек характеристик лесосек. Для его описания и задания необходимо иметь закон распределения вероятностей появления различных лесосек в таксоне. При этом в качестве аналитического определения дифференциального закона распределения используем полимодальное нормальное распределение:

(2)

где; k - число переменных, n - количество мод закона распределения,

- параметры закона распределения для j-ой переменной i-го таксона,

a_j,b_j- коэффициенты факторных вкладов, F₅ , F₉ - линейные свертки исходных переменных y_ji. Для идентификации данного закона распределения применяется метод Маккуардта, который реализован в виде программного продукта. Математическая обработка параметров лесосек позволила получить значения частоты появления точек на разделяющей проекции. Как показал анализ графических интерпретаций, двумерную плотность распределения определяющих переменных Fj можно с достаточной точностью аппроксимировать полимодальным нормальным законом распределения. Проведенные исследования показали, что широкий спектр лесоэксплуатационных характеристик (параметров) лесосек различных регионов ДФО может быть условно представлен совокупностью семи таксонов (рис. 2).

В результате математической обработки статистических данных в широком диапазоне лесоэксплуатационных характеристик лесосек ДФО были получены основные аналитические соотношения гиперпроекций сформированных таксонов. Для получения полного описания параметров лесосеки построены математические модели таких основных геометрических характеристик деревьев, как масса дерева, момент его инерции относительно оси поворота при валке, положение центров тяжести ствола и кроны, протяженность кроны и ряда других, являющихся функцией от параметров лесосеки (Yp) и оказывающих влияние на значения энергетических показателей при выполнении технологических операций.

Рисунок 2. Распределение частот появления таксонов , 1-7 - номера таксонов

Параметры основных характеристик лесосек дальневосточного региона сведены в таблицу 1.

Разработанные математические модели характеристик деревьев основных древесных пород ДФО позволяют оценивать параметры деревьев с достаточным для технических расчетов уровнем доверительной вероятности:

VК = Х1 * Д + Х2 * Д2 , РК = Х3 * Д + Х4 * Д2 ,

Nсуч=Х5 * Д + Х6 * Д2 + Х7 * vД, H=X11*Д+X12*Д2,

lкр=X20*H, lв=X31*H+X32*H2,

Sкр=X41*H+X42* ШК, Pд=X51*H*Д+X52*H, (3)

ШК=X60*Д, lск=X71*H+X72*H2

Eк=X81*Xкр+X82*H2, Xств=X91*H+X92*H2,

Xкр=X101*H+X102*H2, Xд=X111*H+X112*H2.

Обозначения рассматриваемых величин:

Д - диаметр на высоте груди в коре, м; Н- высота дерева, м; Iкр - протяженность кроны, м; IB- длина вершины, м; Sкр - площадь проекции кроны, м²; РД- масса дерева, кг; ШК - диаметр кроны, м; Iск- расстояние от плоскости среза ствола до наибольшей ширины кроны, м; ЕК- эксцентриситет кроны; ХСТБ - центр тяжести ствола, м; ХК - центр тяжести кроны, м; ХД - центр тяжести дерева, м; МИН - момент инерции дерева относительно оси поворота при валке, кг.м² ; NВ - количество вершин, шт; V- объем коры от объема дерева, %; РК - масса кроны дерева, кг; Nсуч - количество сучьев от объема ствола в коре, %.

Одной из определяющих характеристик лесорастительных условий при выборе параметров современной техники является рельеф лесосеки. В данном разделе предлагается методика моделирования рельефа лесосек, основанная на том, что под рельефом подразумевается динамическое изменение относительных неровностей территории лесосеки, а не трелевочного волока. Для удобства анализа профиль В(Х) рельефа лесосеки представим как сумму двух компонентов: макропрофиля Н(Х) и микропрофиля (Х) лесосеки.

Таблица 1- Параметры основных характеристик лесосек дальневосточного региона.

Перем.	Ед. изм.	Ядра таксонов и их дисперсий
		номера таксонов
		1	2	3	4	5	6	7
Y1
Y2
Y3	м3
Y4	град
Y5	доли
Y6	1-4
Y7	доли
Y8	доли
Y9	доли
Y10	доли
Yi	%	14.92	32.74	15.79	5.60	17.98	9.28	3.69

Экспертный анализ рельефа различных лесосек в лесах дальневосточного региона позволил сделать предварительные априорные выводы о стационарности процесса изменения микропрофиля и существенной зависимости его характеристик от уклона макропрофиля. В качестве методического базиса при обосновании способа описания микропрофиля предложен экспериментально-статистический подход. При этом, путем тахеосъемки, были исследованы профили реальных лесосек в диапазоне средних уклонов от 8 до 30 градусов. Информационный анализ материалов, посвященных изучению неоднородностей земной поверхности, позволил определить предварительный математический аппарат для описания микропрофиля. Наиболее приемлемым компромиссом между сложностью представления микропрофиля лесосеки и точностью математических моделей является идеализация этой характеристики лесосеки в виде стационарного случайного процесса.

Для идентификации микропрофиля, с помощью пакета прикладных программ статистической обработки информации, произведен анализ спектральной плотности изменения микропрофиля .Статистический анализ полученных результатов натурных съемок подтвердил гипотезу о стационарности изменения . Характер изменения динамических оценок реальных и полученных рядов (рис.6) позволяет адекватно моделировать ковариацию асимптотически - периодической функцией К(), а спектр - дробно-периодической плотностью S():

(4)

(5)

где; - дисперсия микропрофиля, м²;

- параметры уравнений;

- запаздывание (м) и частота (2/м).

Рисунок 3 - Автоковариационная функция микропрофиля лесосек дальневосточного региона

Статистическая интерпретация полученных результатов в классе нелинейных уравнений дала возможность получить математические модели зависимостей параметров ковариационной функции K() от угла наклона макропрофиля Y4:

=0,61461-0,01112Y4 + 0,00015Y42 ,=0,29084-0,01924Y4+0,0004Y42, (6)

=0,2505-0,0096Y4 + 0,0001Y42

Таким образом, зная характеристику макропрофиля - уклон Y4, можно оценить параметры функции микропрофиля K(), которые являются исходными данными для генерирования реализаций стационарных случайных процессов, моделирующих характер изменения неровностей лесосеки. Данный алгоритм был реализован в виде программного модуля, служащего одной из подпрограмм для моделирования микропрофиля лесосек в комплексной математической модели оценки эффективности функционирования лесосечных машин.

В третьем разделе проведены исследования по анализу промышленного потенциала лесного комплекса ДФО; выполнено обследование технологических процессов (ТП), реализующихся в лесопромышленном комплексе Дальнего Востока; разработана концепция развития региона с учетом реализации принципов устойчивого лесопользования; составлена матрица реализации всех возможных ТП и производственных операций лесозаготовительного производства.

Ежегодный возможный объем заготовки древесины (расчетная лесосека) составляет по Дальневосточному федеральному округу около 90 млн м³, а ее использование лишь - 15,6 %. Доля лесозаготовок на арендованных участках лесного фонда составляет 62,5 % (против 42 % по Российской Федерации). Лесозаготовительные предприятия Дальнего Востока на протяжении ряда лет интенсивно эксплуатировали лесосырьевые базы, занимаясь заготовкой в основном хвойной древесины и частичной ее обработкой; производством и поставкой на экспорт круглых лесоматериалов и в незначительных объемах пиломатериалов и технологической щепы. Это обусловлено последствиями периода перехода к рыночной экономике, в ходе которого прекратилось производство продукции глубокой переработки древесины и, в связи с этим, экспортной специализацией предприятий Дальнего Востока.

Оптимизация лесозаготовительного производства требует, прежде всего, создания эффективной модели всего производственного цикла предприятия, основным звеном которой являются технологические процессы заготовки древесины. Из всех существующих технологических процессов наибольшее применение в лесозаготовительной отрасли ДФО нашли технологические процессы с вывозкой хлыстов и с вывозкой сортиментов. В зависимости от состава, последовательности и места выполнения отдельных операций технологического процесса на лесозаготовках ДФО успешно функционируют четыре варианта хлыстовой и восемь вариантов сортиментной технологий лесозаготовок, которые осуществляются десятью системами машин, различающимися назначением, технологическими и конструктивными особенностями. Каждый вариант технологического процесса может выполняться альтернативными системами машин, в комплекс которых входят установки одного и того же назначения, но различающиеся принципом работы или конструктивными решениями.

При выполнении комплексной оценки ТП лесозаготовительных предприятий были обследованы их регионально-производственные условия, характеризующие объем производства, номенклатуру выпускаемой продукции, организационную структуру производства и территориальное месторасположение предприятия. В настоящее время установилась устойчивая тенденция к росту объемов лесозаготовок по сортиментной технологии с использованием широкой гаммы систем ЛЗМ. В различных регионах федерального округа соотношение объемов заготовки древесины между системами ЛЗМ неоднородно. При этом, 63 % объема заготовки по ДФО в целом приходится на сортиментную и 37 % - на хлыстовую технологии.

Сложившаяся тенденция активного освоения дальневосточных лесов требует обязательного пересмотра стратегии лесопользования в регионе с ускоренной реализацией принципов устойчивого лесопользования, которые относятся к числу тех разделов, по которым национальные системы сопоставляются с международными системами лесной сертификации при их аккредитации. Каждый из принципов устойчивого лесопользования ориентирован на достижение устойчивости во всех сферах деятельности предприятия - в экономической, экологической и социальной.

В результате проведенного анализа промышленного потенциала лесного комплекса ДФО и обследования технологических процессов (ТП), реализующихся в лесопромышленном комплексе Дальнего Востока, разработана концепция развития лесопромышленного комплекса региона и выполнена систематизация систем ЛЗМ по типам ТП с целью дальнейшей формализации всех выполняемых в ходе лесосечных работ технологических операций. Составлена матрица состояний предмета труда (дерево, хлыст и т. д.), позволяющая сгенерировать таблицу, содержащую все возможные технологические процессы и операции. Для достижения конечной цели исследований была поставлена задача формализации технологических процессов, в ходе которых происходит качественное изменение предмета труда. Для достижения необходимой простоты описания и точности воспроизведения описываемого объекта предлагается рассматривать лесосечные работы, как единую функционирующую систему, включающую технику, технологию и окружающую среду.

При формализованном описании технологии лесосечных работ, как системы, необходимо учитывать следующие аспекты: технический, социальный, экологический и экономический. Весь технологический процесс освоения лесосеки условно разбит на микротехнологию (операции у пня) и макротехнологию (транспортные операции в масштабах лесосеки) и описываются в виде функционального графа, узлы которого отображают состояние предмета труда (дерева) в процессе его преобразования, а дуги графа соответствуют способам воздействия на него. Граф показывает совокупность технологических переходов (операций), каждый из которых может быть осуществлен по одному из принципов рядом технических устройств, характеризуемых перечнем конструктивных и технологических параметров. Описание лесосечных работ осуществлено с использованием аппарата теории булевых функций. При формировании булевой таблицы была использована матрица состояний предмета труда на лесосеке.

Описание лесосечных работ позволяет свести способы воздействия техники и технологии на ПТ и лесную среду к чередующимся воздействиям: «разделение» и «перемещение» в пространстве предмета труда.

Формализация технологических переходов, связанных с разделением ПТ осуществлена с использованием основ теории резания древесины.

Оценить технологические переходы, связанные с перемещением предмета труда по территории лесного массива, можно с использованием формализованного описания транспортной сети, покрывающей лесосеку. Лесосеку можно представить в виде площади леса, покрытой дискретными участками. Для оценки лесоводственных и технико-экономических показателей эффективности разработки лесосек были рассмотрены различные схемы их освоения. При этом возможные схемы покрытий лесосек предлагается оценивать по следующим входным коэффициентам:

K_i - интенсивность рубки по площади;

K_p - перекрытие площади (разобщенность участков);

K_f - формы участков;

K_z - количество зон на лесосеке.

(7)

где; S_общ - площадь всей лесосеки, S_p - площадь всех разработанных участков,

S_i - площадь i-го участка, c, d - параметры формы участков.

С использованием предлагаемых коэффициентов, характеризующих схему освоения лесосеки, в работе описаны законы распределения и параметры удельной нагрузки на единицу длины (или площади) волока в зависимости от числа проходов по нему трелевочных машин. При этом определены следующие параметры, характеризующие степень эффективности схемы разработки лесосеки:

- расстояние трелевки для z-го участка Az:

(8)

- суммарная длина всех путей :

(9)

- среднее расстояние трелевки :

(10)

где; Zj - j-я зона на площади лесосеки, ,j=1,n; L_i - i-й участок в j-й зоне, ,i=1,m_j.

Полученные зависимости использованы при составлении математической модели функционирования технологического процесса.

В четвертом разделе приведены результаты исследований по лесоводственно-экологической оценке использующихся систем ЛЗМ и технологий реализации лесосечных работ. Проведение данного вида оценки необходимо, прежде всего, для определения предельно допустимых воздействий лесоэксплуатации на лесные биоценозы и выявления оптимальных технологических решений, позволяющих, наряду с сохранением лесной среды, обеспечить наивысшую производительность труда на лесосечных работах, комплексное и рациональное использование всей древесины, отводимой в рубку.

Прогрессирующее истощение и ухудшение качества древесных лесных ресурсов, снижение их природоохранного и экологического потенциала требует незамедлительного изменения стратегии лесопользования, перехода на ресурсосберегающие технологии лесозаготовок и переработки древесного сырья, совершенствования методов ведения лесного хозяйства. Для решения этой проблемы, в первую очередь, необходимо соблюдение следующих основных лесохозяйственных, экологических и технологических принципов:

· -сохранение постоянства покрытия лесом территорий лесозаготовок;

· -снижение до минимума временного интервала между заготовкой леса и лесовосстановлением;

· -внедрение современных технологий и систем лесозаготовительных машин, обеспечивающих сохранение лесной среды на вырубаемых площадях и снижение количества выбросов отработанных газов в атмосферу;

· -совершенствование технологических процессов функционирования предприятий лесопромышленного комплекса с полным и рациональным использованием древесины.

Реализация принципа постоянства покрытия лесом площади лесозаготовок главным образом определяется следующими факторами:

· - выбором оптимальной системы рубок и систем лесозаготовительных машин;

· - сохранением подроста и деревьев, не подлежащих рубке;

· - минимальным нарушением поверхности почвы.

Выбор системы и способа рубок зависит, прежде всего, от группы лесов, биологических особенностей главных лесообразующих пород, возрастной структуры и строения древостоев, лесорастительных условий, устойчивости почв против эрозии, от наличия и состояния подроста. С технической и технологической сторон более просто решаются вопросы организации лесозаготовок при сплошных рубках. В то же время, они более радикально, в сравнении с другими системами и способами рубок, негативно изменяют лесорастительные условия и всю экологическую среду. Вследствие относительной простоты подготовки лесосечного фонда и организации лесосечных работ, а также минимальных затрат сил и средств на валку и трелевку сплошные рубки являются наиболее распространенной формой лесоэксплуатации на Дальнем Востоке, в связи с чем 65-75 % заготавливаемой древесины хвойных пород приходится на сплошные рубки.

Особенно это характерно для елово-пихтовых и лиственничных лесов, подверженных наиболее интенсивному освоению. При этом около 1/3 лесов Дальнего Востока произрастают на склонах крутизной свыше 20^о. Следует также учитывать, что большей части дальневосточных лесов присущи черты девственных разновозрастных насаждений, в которых также наиболее целесообразны различные варианты несплошных рубок. Поэтому вопросы совершенствования способов и видов несплошных рубок и широкое их внедрение в лесозаготовительную практику являются неотложной и насущной потребностью. лесопромышленный древесина хлыстовой

На основании результатов аналитических исследований по изучению запасов древесины во всех лесных формациях ДФО по возрастной структуре, по рельефу мест произрастания и другим лесорастительным условиям с учетом требований «Правил заготовки древесины», установлено, что, необходимо произвести коренное перераспределение систем рубок в следующих пропорциях, представленных на рисунке 4.

Предлагаемое соотношение объемов заготовки по системам рубок позволит обеспечить выполнение одного из главных принципов устойчивого лесоуправления - сохранение экологического потенциала и биологического разнообразия лесов, а также обеспечить непрерывность лесопользования.

а - в настоящее время; б - рекомендуемое

Рисунок 4 - Освоение дальневосточных лесов по системам рубок

Сохранность подроста и тонкомерных деревьев на вырубках является одним из основных критериев лесоводственной оценки эффективности технологий использования систем ЛЗМ. В работе выполнены теоретические исследования, в которых сделана попытка рассмотреть влияние технологии использования систем лесосечных машин на сохранность подроста через показатель степени вероятности встречи захватно-срезающего устройства (ЗСУ) лесозаготовительной машины с подростом и тонкомерными деревьями. При этом рассматривался процесс работы валочно-пакетирующей машины (ВПМ) в лесном массиве на технологической стоянке с осевым (наведением на дерево) и радиальным (выносом дерева из пасеки и укладкой его в формировочно-транспортный модуль (ФТМ) или на вырубку) перемещением манипулятора, в результате чего наносятся основные механические повреждения стволовой части и кроне подроста и тонкомерных деревьев. Вероятность контакта ЗСУ с подростом и тонкомерными деревьями (соответственно их повреждение) при работе ВПМ с пакетированием деревьев на вырубке определялась по формуле:

(11)

где; Sr , Sx, S n - площади лесного массива, на которых происходит повреждение подроста в процессе работы ВПМ; , b - ширина ЗСУ, N - число деревьев на 1м² площади лесного массива (шт./м²), М - мидель кроны,

;

где; о1 и о2 - коэффициент формы и густоты заполнения кроны, соответственно,

Hкр, Dкр - высота и срединный диаметр кроны; R- максимальный вылет стрелы манипулятора ВПМ; h- ширина волока; в - коэффициент перекрытия площади деревьями, укладываемыми в пачку (в<1), бв - центральный угол рабочей зоны манипулятора ВПМ, град.

Математическая интерпретация полученных зависимостей показала, что теоретическое значение вероятности повреждения подроста и тонкомерных деревьев при использовании ВПМ с формировочно-транспортным модулем составляет 25 %, а при обычной технологии 64 %.

Для определения степени адекватности результатов теоретических исследований нами были проведены экспериментальные рубки в различных лесорастительных условиях дальневосточного региона. В качестве оценочных устанавливались такие эколого-лесоводственные параметры, как сохранность подроста и тонкомерных деревьев на вырубках и влияние различных технологий использования систем ЛЗМ на верхние горизонты почвы.

При использовании на лесосечных работах ВПМ, снабженной формировочно-транспортным модулем (ФТМ), и трелевочной машины, осуществляющей транспортировку ФТМ, наблюдается значительное повышение сохранности подроста и оставляемых деревьев (в бесснежный период сохраняется до 65 % подроста предварительной генерации, а зимой - до 80 %). Результаты теоретических исследований полностью подтверждаются показателями натурных наблюдений.

Воздействие на почву также в значительной степени зависит от размеров лесосек, используемых систем ЛЗМ, технологии работ, почвенно-грунтовых условий и сезона заготовки.

Результаты исследований показали, что горно-таежные бурые почвы экспериментальных участков, преобладающие в составе земель лесного фонда региона, в естественном состоянии достаточно устойчивы. Однако, они легко уязвимы при проведении лесозаготовок. На лесосеках, разработанных сплошными рубками, отмечены значительные механические повреждения (вплоть до уничтожения) органогенного слоя почвы, а нередко нарушения и нижележащих горизонтов.

По результатам проведенных натурных исследований получена регрессионная зависимость степени минерализации лесных почв Мп от воздействующих факторов:

М_п =0,841 t₁ +0,769 t₂ + 0,0045 t₃ t₄ (12)

где: t₁- вид транспортируемой продукции, t₂ - способ рубки, t₃ - интенсивность рубки по запасу, t₄ - используемая система ЛЗМ.

В процессе проведения натурных исследований на опытно-промышленных лесосеках региона наряду с лесоводственными показателями определялось также количество неиспользованной древесины, её виды (характеристики); установлены стадии производства, на которых образуются стволовые остатки. Объем остающейся на вырубках древесины в среднем составляет до 65 м³/га, в т.ч. деловой - до 23 м³/га. Среди деловой древесины преобладают древесина 3 сорта и балансы. Доля древесины 1 и 2 сортов не превышает 10 %. Анализ причин, влияющих на полноту использования лесосечного фонда при рубках главного пользования, показывает, что потери древесного запаса на лесосеке (D) во многом зависят от типа применяемых ТП и систем лесосечных машин, сезон заготовки, породного состава и класса товарности насаждений.

Результаты измерений можно аппроксимировать уравнением регрессии следующего вида: